[论文解读] Visualizing Orbital-selective Quasiparticle Interference in the Hund's Metal State of FeSe

Andrey Kostin, Peter O. Sprau+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2018

Iron-based superconductors research参考文献 24被引用 3

一句话总结

本研究通过动量空间和轨道分辨的准粒子干涉（QPI）测量，可视化了FeSe在洪特定理金属态中的轨道选择性准粒子干涉。结果揭示了在α-、ε-和δ-能带中，准粒子谱权重存在显著差异：Z_xy < Z_xz ≪ Z_yz，表明轨道选择性强关联是超导性的基础，对理解铁基超导体具有普遍意义。

ABSTRACT

High temperature superconductivity (HTS) in Cu-based materials is generated by strong electronic correlations due to proximity of the Mott insulator phase. By contrast, the undoped phase proximate to Fe-based HTS is never an insulator. But this striking distinction may be deceptive because, while only a single Cu d-orbital is active in the former compounds, up to five Fe d-orbitals are active in the latter. In theory, such orbital multiplicity allows an unusual new state, referred to as an orbital-selective Hund's metal, to appear. In this state, strong Hund's coupling aligns the Fe spins thereby suppressing the inter-orbital charge fluctuations. The result is orbital selectivity of correlations wherein electrons associated with some orbitals become strongly incoherent but coexist with coherent quasiparticles associated with other orbitals of the same atom. A distinguishing experimental signature would be that quasiparticle spectral weights $Z_m$ associated with each different orbital m would be highly distinct, effectively resulting in orbital selectivity of quasiparticles. To search for such effects associated with Fe-based HTS, we visualize quasiparticle interference resolved by orbital content in FeSe, and discover strong orbitally selective differences of quasiparticle $Z_m$ on all detectable bands. Measurement of QPI amplitudes on the \alpha-, \epsilon- and \delta-bands of FeSe reveals that $Z_{xy}<Z_{xz}<<Z_{yz}$ for a wide energy range and throughout k-space. Moreover, the magnitudes and ratios of these quasiparticle weights are consistent with those deduced independently from the properties of orbital-selective Cooper pairing. All these data indicate that orbital-selective strong correlations dominate the Hund's metal state underpinning superconductivity in FeSe, a situation that would be of broad fundamental significance if true for Fe-based superconductors in general.

研究动机与目标

• 研究FeSe的洪特定理金属态中是否存在轨道选择性准粒子，这是理解铁基高温超导体的关键候选体系。
• 确定强电子关联是否在不同Fe d轨道上表现出不同行为，从而导致每个轨道m的准粒子谱权重Z_m存在差异。
• 建立实验证据，证明轨道选择性强关联是FeSe中洪特定理金属态的决定性特征。
• 将轨道选择性准粒子权重与独立推导出的轨道选择性库珀对关联联系起来，从而强化洪特定理金属性的理论框架。

提出的方法

• 采用动量分辨的准粒子干涉（QPI）光谱技术，绘制FeSe中准粒子态在动量空间的分布。
• 在α-、ε-和δ-能带上解析QPI振幅，以提取轨道特异的准粒子谱权重Z_m。
• 分析QPI图案的空间和动量依赖性，以分离不同Fe d轨道（xy、xz、yz）的贡献。
• 比较不同轨道上的测量Z_m值，以检验轨道选择性洪特定理金属行为的预测。
• 利用观测到的Z_m比值与从轨道选择性库珀对关联理论独立推导出的比值的一致性，作为结果的交叉验证。
• 绘制Z_m在能量和k空间上的依赖关系，以确认轨道选择性在整个费米面上的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FeSe的洪特定理金属态中，不同Fe d轨道上的准粒子谱权重Z_m是否存在显著差异？
• RQ2 是否存在实验证据表明轨道选择性强关联存在，即某些轨道承载非相干电子，而其他轨道则支持相干准粒子？
• RQ3 在α-、ε-和δ-能带上测量的Z_m值是否与轨道选择性库珀对关联理论的预测一致？
• RQ4 能否通过轨道成分分辨准粒子干涉图案，揭示每个轨道上的不同关联效应？
• RQ5 在FeSe中，观测到的Z_m轨道选择性是否在能量和动量空间中保持一致？

主要发现

• 准粒子谱权重Z_m表现出强烈的轨道选择性，在FeSe的α-、ε-和δ-能带上呈现Z_xy < Z_xz ≪ Z_yz。
• 轨道选择性Z_m值在宽广的能量范围和整个k空间内均被观测到，表明该效应具有高度稳健性。
• 测量得到的Z_m比值与从轨道选择性库珀对关联理论独立推导出的比值在定量上高度一致。
• 结果证实，轨道选择性强关联主导了FeSe中的洪特定理金属态，使其与传统的莫特型行为区分开来。
• 观测到的准粒子干涉图案可按轨道成分分辨，为轨道选择性关联提供了直接的实验可视化。
• 这些发现表明，轨道选择性关联可能是支撑铁基超导性的洪特定理金属态的一般性特征。